化学与新能源材料一

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姓名：欧阳世文

专业：包装工程

班级：1402班

学号：***********

化学与新能源

摘要：当今世界开发新能源迫在眉睫，原因是目前所用的能源如石油、天然气、煤，均属不可再生资源，地球上存量有限，而人类生存又时刻离不开能源，所以，必须寻找新的能源。新能源有别于传统化石能源，具有清洁无污染、安全高效率等优点。而化学新能源是将化学能直接转化成电能，如锂离子电池、燃料电池、电化学电容器等，具有广阔的应用发展前景。本文就化学在氢能源、燃料电池、储氢材料和太阳能电池材料中的研究和应用进行了述评与总结。

关键字：氢能源可燃冰塑料燃料电池储氢材料

1. 引言新能源又称非常规能源。是指传统能源之外的各种能源形式。指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等本文通过对化学在燃料电池、储氢材料和太阳能电池材料中某些关键问题的应用和研究现状的介绍, 旨在希望理论化学在能源的存储与转换这个领域中得到更深入的应用。

2. 2.1 氢能源作为现有主要燃料的汽油和柴油，生产它们几乎完全依靠化石燃料。随着化石燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些资源将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的、储量丰富的新的含能体能源。氢能正是一种在常规能源危机的出现、在开发新的能源的同时人们期待的新的能源。氢位于元素周期表之首，它的原子序数为1，在常温常压下为气态，在超低温高压下又可成为液态。作为能源，氢有以下特点：2.1.1. 所有元素中，氢重量最轻。在标准状态下，它的密度为0.0899g/L；在-252.7℃时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢就可变为固态氢。2.1.2.

所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，2 因此在能源工业中氢是极好的传热载体。 2.1.3. 氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的75％，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大90O0倍。2.1.4. 除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142.351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。2.1.5. 氢燃烧性能好，

点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。2.1.6. 氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。 2.1.7. 氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造，现在的内燃机稍加改装即可使用。2.1.8. 氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。由以上特点可以看出氢是一种理想的新的能源。目前液氢已广泛用作航天动力的燃料，但氢能的大规模的商业应用还有待解决以下关键问题：（1）. 廉价的制氢技术。因为氢是一种二次能源，它的制取不但需要消耗大量的能量，而且目前制氢效率很低，因此寻求大规模的廉价的制氢技术是各国科学家共同关心的问题。（2）. 安全可靠的贮氢和输氢方法。由于氢易气化、着火、爆炸，因此如何妥善解决氢能的贮存和运输问题也就成为开发氢能的关键。许多科学家认为，氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的能源。氢能是一种二次能源，因为它是通过一定的方法利用其它能源制取的，而不象煤、石油和天然气等可以直接从地下开采。在自然界中，氢已和氧结合成3 水，必须用热分解或电分解的方法把氢从水中分离出来。如果用煤、石油和天然气等燃烧所产生的热或所转换成的电分解水制氢，那显然是划不来的。现在看来，高效率的制氢的基本途径，是利用太阳能。如果能用太阳能来制氢，那就等于把无穷无尽的、分散的太阳能转变成了高度集中的干净能源了，其意义十分重大。目前利用太阳能分解水制氢的方法有太阳能热分解水制氢、太阳能发电电解水制氢、阳光催化光解水制氢、太阳能生物制氢等等。利用太阳能制氢有重大的现实意义，但这却是一个十分困难的研究课题，有大量的理论问题和工程技术问题要解决，然而世界各国都十分重视，投入不少的人力、财力、物力，并且业已取得了多方面的进展。因此在以后，以太阳能制得的氢能，将成为人类普遍使用的一种优质、干净的燃料。2.2储氢材料氢能作为一种储量丰富、来源广泛、能量密度高的绿色能源及能源载体, 正引起人们越来越广泛的关注, 受到世界各国的高度重视。氢能应用的关键是氢的储运, 而储氢材料则是研究的焦点。美国能源部(DOE) 关于储氢材料的应用标准为氢气储存的质量能量密度和体积能量密度应分别达到617wt%和62kgPm。根据氢与材料作用方式, 储氢材料可分为两类。一类是氢以化学吸附储存于材料之中, 这类材料储氢量大, 但脱氢较困难; 另一类属物理吸附, 虽储氢能力有限, 但氢易于脱附。理想的储氢材料应是氢以分

子状态吸附但吸附能应介于物理吸附与化学吸附之间。近年来, 关于储氢材料的研究层出不穷, 理论研究主要集中在金属氢化物、合金、金属有机骨架及一些新型储氢材料等。

储氢的机理H2在金属或合金的粉末表面吸附，H-H键断裂，H原子侵入到金属原子之间的间隙，形成固溶体，H由外向内进一步扩散，形成饱和固溶体，与剩余H2形成金属氢化物。化学储氢材料：金属氢化物储氢材料，典型的例子是MgH2 , 其理论储氢容量高达717wt% , 且镁的价格低廉, 储量丰富。直接应用MgH2 的主要障碍是脱氢温度高、速度慢。稀土金属合金是较有前途的合金储氢材料, 具有单位体积内高的氢储存容量以及在温和条件下吸附氢的能力。这些合金材料中氢的吸附和脱附性质依赖于4 合金组成和金属与氢的相互作用。一般来说, 这些合金材料结构较为复杂, 容纳氢的能力取决于多种因素, 如合金中空隙的大小和形状、空隙周围原子的化学性质、氢和配位原子的距离等。

Li2N2H 化合物是一种新颖且有前途的具有高质量密度的储氢材料, LiNH2 的分解需要较高的温度。实验表明用Mg 部分替代Li 可降低分解温度。Zhang 等用PBE 泛函比较研究了LiNH2 和部分Li被K 或Mg 取代后的体系。结果分析揭示, Li 被取代后, 改变了金属与氮成键强度, 使得N-H键减弱。Mg 的影响较K 更为显著, 从微观层次上阐明了实验事实。

2.3燃料电池从本质上讲，它是一种电化学的发电装置，等温地按电化学方式，直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程，不受卡诺循环限制，因而能量转化效率高，且无噪音，无污染，因此正在成为理想的替代能源。燃料电池的演化过程2.

3.1燃料电池的演化过程燃料电池是一种新型的无污染、高效率汽车、游艇动力和发电设备，在本质上是一种能量转化装置。1839年，格罗夫发表了第一篇有关燃料电池研究的报告。1889年，蒙德和朗格尔采用了浸有电解质的多孔非传导材料为电池隔膜，一铂黑为电催化剂，以钻孔的铂或金片为电流收集器组装出燃料电池。但此后的一段时间里，奥斯卡尔德等人在探索燃料电池发电过程的实验都因为反映速度太慢而使实验没有成功。与此同时，热机研究却取得了突破性进展并成功运用而迅速发展。因此燃料电池技术在数十年内没能取得大的进展。直到1923年，由施密特提出了多孔气体扩散电极的概念，在此基础上，培根提出了双孔结构电池概念，并成功开发出中温度培根型碱性燃料电池。以此为基础，经过一系列发展，这项燃料电池技术得到了突飞猛进的发展。在20世纪60年代由普拉特一惠特尼公司研制出的燃料电池系统，并成功应用于宇航飞行，使得燃料电池进入了应用阶段。

2.3.2 燃料电池的基本工作原理燃料电池是一种能量转化装置，它就是按电化学原理，即原电池工作原理，等温地把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为5 电能，因而实际过程是氧化还原反应。从本质上说是水电解的一个“逆”装置。电解水过程中，通过外加